Рамочно-лучевая антенна
Изобретение направлено на улучшение технических и эксплуатационных характеристик антенн. Указанный технический результат достигается тем, что рамочная часть антенны изготовлена из коаксиально расположенных проводников, при этом внешний проводник формирует магнитную составляющую электромагнитной волны излучения, электрическая составляющая формируется лучевой частью антенны, контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1 обеспечивает синфазность этих составляющих. Раздельное формирование синфазных, электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны излучения соответствующими элементами антенны, обеспечивает формирование фронта электромагнитной волны излучения непосредственно у элементов антенны, что в свою очередь обеспечивает малый угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, при высоте подвеса значительно менее 1/2 длинны волны и малую восприимчивость антенны к наличию проводящих предметов и других антенн в близи антенны. Ток и напряжение в известных антеннах сдвинуты по фазе на 90 градусов, следовательно, электрическое Е и магнитное Н поля в ближней зоне квадратурны. Для формирования потока излучения непосредственно у элементов антенны, описываемого вектором Пойнтинга П=Е×Н нужны синфазные компоненты. В упомянутых антеннах они появляются довольно далеко от антенны, где поля, распространяющиеся с конечной скоростью, приобретают дополнительный фазовый сдвиг. Если предлагаемую двухэлементную антенну представить в виде двух антенн А1 и А2, каждая со своим источником питания (источники когерентны) и которые совмещены в пространстве, решающие значение приобретают соотношение фаз колебаний источников этих антенн. Суммарная плотность потока энергии (вектор Пойнтинга П) в каждой точке пространства может быть найден по принципу суперпозиции полей: П=(Е1+Е2)×(Н1+Н2)=Е1×H1+Е2×Н2+Е1×Н2+Е2×H1 Последние два слагаемых в правой части уравнения описывают взаимодействие электрического поля одной антенны с магнитным полем другой антенны. Эти поля и используются в предлагаемой рамочно-лучевой антенне для эффективного формирования вектора Пойнтинга. Таким образом, магнитное поле рамки складывается с электрическим полем лучей и в свою очередь магнитное поле лучей складывается с электрическим полем рамки, формируя фронт электромагнитной волны излучения непосредственно у элементов антенны. Однако для этого Е1 должно быть синфазно с Н2 и Е2 должно быть синфазно с H1 следовательно антенны должны возбуждаться в квадратуре. В предлагаемой рамочно-лучевой антенне необходимый фазовый сдвиг обеспечивает контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1. На Фиг.1 представлена электрическая схема полезной модели, состоящая из рамочной части, в свою очередь состоящей из коаксиально расположенных проводников и конденсаторов настройки С1 и С2 и лучевой части выполненной из антенного канатика и имеющего длину порядка 1/8 длинны волны. Рамочно-лучевая антенна по распределению тока и напряжении соответствует неразрывному полуволновому излучателю. Работу антенны можно описать следующим образом: 1. Рамка, находясь в зоне максимального тока, формирует магнитную составляющую электромагнитной волны излучения. 2. Лучи, находясь в зоне максимального напряжения, формируют электрическую составляющую электромагнитной волны излучения. 3. Контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1 сдвигает фазу тока в рамке и обеспечивает синфазность этих составляющих, в результате формирование фронта электромагнитной волны излучения происходит непосредственно у элементов антенны, что в свою очередь обеспечивает малый угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности. Кроме того, значительно расширяется рабочий диапазон, что обеспечивает работу антенны при изменении частоты излучения передатчика без подстройки. Конденсатор С-2 включен на участке с небольшим напряжением и поэтому требования к его электрической прочности, можно значительно снизить. Лучи кроме общего увеличения эффективности антенны позволяет значительно уменьшить емкость настроечного конденсатора С-2 и применить здесь стандартный конденсатор, кроме того, лучи удобно использовать в роли оттяжек при установке антенны. Изменение длинны и угла наклона лучей антенны позволяет изменять угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности. При длине лучей равной 1/8 длинны волны и высоте подвеса значительно менее 1/ 2 длинны волны, обеспечивается угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности не превышающий угол возвышения антенны «полуволновой вибратор» установленной на высоте равной 1/2 длинны волны.
Техническое решение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике и может быть использовано в технике связи.
Известна антенна «полуволновой вибратор» К.Ротхамель «Антенны» издательство «Бояныч» г.Санкт-Петербург 1998 г. стр.32-45, которая содержит горизонтально расположенный протяженный электрический проводник (например, проволока, стержень, труба) равный примерно половине длины волны, установленный на двух мачтах (опорах).
Недостатком аналога является необходимость двух опор для монтажа антенны, необходимость обеспечить высоту подвеса антенны, не менее 1/2 длинны волны, для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны.
Также известна антенна «четвертьволновой вертикальный излучатель» К.Ротхамель «Антенны» издательство «Бояныч» г.Санкт-Петербург 1998 г. стр.311-322, которая содержит вертикально расположенный электрический проводник (например, проволока, стержень, труба) равный примерно четверти длины волны, оборудованный разветвленной системой заземления или противовесов.
К недостаткам второго аналога относятся зависимость ширины рабочего диапазона антенны от отношения эффективного диаметра излучателя к его длине, искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны, необходимость оборудования разветвленной системой заземления или противовесов.
В качестве прототипа выбрана антенна, описанная К.Hagenbuchner. Magnetische Anfennen - ein Erfahrung-bericht. - QSP, 1988, N 7, S. 28-3, состоящая из рамки выполненной в форме окружности из материала обладающим малыми омическими потерями, оборудованная конденсатором настройки.
К недостаткам прототипа относятся способность антенны работать только на частоте настройки, необходимость подстройки антенны даже при незначительном изменении частоты излучения передатчика, необходимость применения конденсатора настройки с высокой электрической прочностью, необходимость обеспечить высоту подвеса антенны, не мене 1/2 длинны волны для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности.
Задачей технического решения является разработка антенны требующей для установки одну опору, обладающей малым углом возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности при высоте подвеса значительно менее 1/2 длинны волны, имеющую широкий рабочий диапазон и обеспечивающую работу антенны без подстройки при изменении частоты излучения передатчика, невосприимчивой к наличию проводящих предметов и других антенн в непосредственной близости от нее. Не требующей применения конденсатора настройки с высокой электрической прочностью и оборудования разветвленной системой заземления или противовесов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в рамочно-лучевой антенне, содержащей рамку, выполненную в форме окружности из материала обладающим малыми омическими потерями и оборудованную конденсатором настройки, предусмотрены следующие отличия: рамка содержит коаксиально расположенный в ней проводник, рамка и внутренний проводник подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 и образуют два сильно связанных между собой контура. Наружный контур соединен с горизонтально расположенными лучами, образуя, вместе с ними антенную систему.
Кроме того, предложенная рамочно-лучевая антенна отличается тем, что рамочная часть антенны расположена в месте протекания максимальных токов, чем обеспечивается формирование и излучение магнитной составляющей электромагнитной волны излучения. Лучевая часть антенны расположена в точке максимальных напряжений и в свою очередь формирует и излучает электрическую составляющую электромагнитной волны излучения. Контур образованный внутренним коаксиальным проводником и конденсатором настройки С-1 не участвует в излучении и служит для обеспечения синфазности магнитного и электрического полей антенны.
Вертикально расположенная рамка излучает вертикально поляризованную магнитную составляющую, а лучи горизонтально поляризованную электрическую составляющую, что обеспечивает формирование фронта излучаемой электромагнитной волны, при этом формирование фронта излучаемой электромагнитной волны происходит непосредственно у элементов антенны, характеристики антенны практически не зависят от высоты подвеса антенны, угол излучения в вертикальной плоскости (угол возвышения) регулируется наклоном лучей по отношению к горизонту, антенна не подвержена влиянию окружающих предметов, проводников и других антенн, находящихся в непосредственной близости от нее.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно наличие лучей выполненных из проводников значительно снижает напряжение на конденсаторах настройки и не требует применения конденсатора настройки с высокой электрической прочностью. Напряжения, приложенные к лучам, находятся в противофазе, что в свою очередь освобождает от необходимости оборудования разветвленной системы заземления или противовесов. Наличие контура образованного конденсатором С-1 и внутренним проводником рамочной части существенно расширяет рабочий диапазон антенны и не требуется подстройка антенны даже при значительном изменении частоты излучения передатчика. Формирование электрической и магнитной составляющей фронта излучаемой электромагнитной волны отдельными элементами антенны обеспечивает независимость угла возвышения в вертикальной плоскости от высоты установки антенны и исключает искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны.
Техническое решение позволяет использовать стандартные конденсаторы настройки, для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности использовать высоту установки, антенны значительно менее 1/2 длинны волны. Кроме того, максимальный угол излучения в вертикальной плоскости диаграммы направленности регулируется наклоном лучей к основанию антенны. Антенна имеет широкий рабочий диапазон и обеспечивает работу без подстройки при изменении частоты излучения передатчика.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняются чертежом, на котором:
Фиг.1 Принципиальная электрическая схема рамочно-лучевой антенны
Фиг.2 Технологическая схема рамочно-лучевой антенны
Предложенная рамочно-лучевой антенна состоит из рамочной части антенны изготовленной из коаксиально расположенных проводников и оборудованной конденсаторами настройки, лучевой части выполненной из прямолинейных проводников, мачты, распорки, изоляторов на концах лучей и точек крепления этих изоляторов, индуктивной петли связи с питающим кабелем (условно не показана).
Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом, рамочная часть антенны выполнена из коаксиально расположенных проводников и оборудована стандартными конденсаторами настройки для внутреннего проводника и внешнего проводника, лучевая часть выполнена из антенного канатика и на концах оборудована изоляторами. Питание антенны осуществляется петлей связи подобной петле связи использованной в прототипе. Рамочная и лучевая части антенны расположены в одной плоскости.
Описанное выше техническое решение рамочно-лучевой антенны осуществляется следующим образом:
Рамочная часть антенны, выполненная из коаксиально расположенных проводников, в форме окружности из материала обладающим малыми омическими потерями и оборудованная конденсаторами настройки с помощью распорки монтируется на диэлектрическую мачту. Лучи изготовленные из антенного канатика и выполняющие одновременно роль оттяжек, на концах оборудованные изоляторами крепятся к якорям оттяжек и мачте. Настройка антенны производится по минимуму коэффициента стоячей волны или по максимуму показаний индикатора напряженности поля. Изменением угла наклона лучей по отношению к мачте регулируется угол излучения в вертикальной плоскости, чем больше угол наклона лучей, тем меньше угол излучения. Питание антенны осуществляется петлей связи подобной описанной К.Hagenbuchner. Magnetische Anfennen - ein Erfahrung-bericht - QSP, 1988, N 7, S. 28-3.
Технико-экономическое обоснование:
1. возможность монтажа антенны с помощью одной опоры.
2. отсутствие искажения диаграммы направленности при наличии
проводящих предметов и других антенн в близи антенны
4. обеспечение работы антенны без подстройки при изменении частоты излучения передатчика.
5. обеспечение малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности при высоте подвеса значительно менее 1/2 длинны волны.
6. исключение необходимости применения конденсаторов настройки с высокой электрической прочностью
1. Рамочно-лучевая антенна, содержащая вертикально расположенную рамку из материала с малыми омическими потерями, с коаксиально расположенным в ней проводником, отличающаяся тем, что рамка и внутренний проводник подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 и образуют два сильно связанных между собой контура, при этом контур образованный наружным проводником и конденсатором С-2 соединен с лучами, образуя вместе с ними рамочно-лучевую антенну.
2. Рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что контур, образованный внутренним коаксиальным проводником и конденсатором С-1, не участвует в излучении и служит для обеспечения синфазности магнитного и электрического полей антенны.
3. Рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что рамочная часть антенны расположена в месте протекания максимальных токов.
4. Рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что лучевая часть антенны расположена в точках максимальных напряжений.
5. Рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что вертикально расположенная рамка излучает вертикально поляризованную магнитную составляющую.
6. Рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что лучи излучают горизонтально поляризованную электрическую составляющую.
7. Рамочно-лучевая антенна по пп.5 и 6, отличающаяся тем, что формирование фронта излучаемой электромагнитной волны происходит непосредственно у элементов антенны.
